本發(fā)明屬于光子集成技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)功能器件，具體指一種基于電光效應(yīng)的偏折波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器件。

背景技術(shù)：

光波導(dǎo)器件是一類重要光子功能元件，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠、易于集成和損耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。它可通過(guò)單片或混合集成方法，實(shí)現(xiàn)多功能集成的光子系統(tǒng)。因而，其研究已受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注和重視。

波導(dǎo)型偏振功能器件是集成光子系統(tǒng)中不可或缺的核心單元器件。在集成光子系統(tǒng)中，通常由于存在偏振相關(guān)損耗、偏振模式色散、偏振相關(guān)增益等偏振效應(yīng)，易導(dǎo)致波形失真、信號(hào)波動(dòng)和幅度噪聲等問(wèn)題，因而需制作和設(shè)計(jì)偏振功能器件來(lái)改善光通信和光信號(hào)處理質(zhì)量，提高集成光子系統(tǒng)性能。據(jù)報(bào)道，已有的波導(dǎo)型偏振功能器件通常屬于“靜態(tài)”元器件，即器件的設(shè)計(jì)與制作一旦完成，這些器件的光學(xué)性能就完全確定，其性能卻不能進(jìn)行在線調(diào)控，這大大限制了器件的應(yīng)用范圍。

為了提高集成光子系統(tǒng)性能，可調(diào)控偏振功能器件的研究開(kāi)始引起人們的關(guān)注?？烧{(diào)控偏振功能器件不僅能解決因制作工藝誤差所導(dǎo)致的器件性能下降問(wèn)題，還能在線監(jiān)測(cè)集成光子系統(tǒng)中的不同偏振光的傳輸損耗。此外，可調(diào)控偏振功能器件還可在偏振復(fù)用通信技術(shù)和偏振光時(shí)域反射技術(shù)中實(shí)現(xiàn)在線調(diào)控偏振。目前，所報(bào)道的可調(diào)偏檢偏器僅適用于光纖系統(tǒng)中的偏振調(diào)控與自由空間的光傳輸，而不適用于集成光子系統(tǒng)中。另外，這些器件還存在制作難度大、調(diào)控性能差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、波長(zhǎng)依賴性大等諸多缺陷。因此，積極設(shè)計(jì)與制作波導(dǎo)型偏振功能器件對(duì)提升光子系統(tǒng)性能或發(fā)展新型功能光子系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

基于此，本發(fā)明充分考慮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)器件的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種新型可調(diào)控檢偏器；該器件由偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，利用液晶的各向異性光學(xué)特性和晶軸可調(diào)控特性，通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控，改變調(diào)控區(qū)域液晶的折射率，完成te波和tm波動(dòng)態(tài)檢偏輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的不同偏振態(tài)在線檢偏。這種器件具有輸出偏振態(tài)可動(dòng)態(tài)調(diào)控的突出優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)與其它波導(dǎo)型功能器件集成，易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的新型集成光子系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可調(diào)控波導(dǎo)型檢偏器，該檢偏器基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在偏折波導(dǎo)調(diào)控區(qū)域采用具有大雙折射率差的液晶材料，利用液晶的各向異性和晶軸可調(diào)控性等光學(xué)特性，通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控，動(dòng)態(tài)改變波導(dǎo)內(nèi)不同偏振光的泄漏損耗，使其特定偏振態(tài)的(te或tm)光信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而獲得特定偏振光輸出。該器件具有設(shè)計(jì)與制作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)控和波長(zhǎng)依賴性低等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器，如圖1、2、3所示，其中圖1為器件俯視圖，圖2和圖3分別為波導(dǎo)在aa1、bb1位置處的橫截面圖。所述波導(dǎo)由輸入直波導(dǎo)(2)、第一偏折波導(dǎo)(5)、第二偏折波導(dǎo)(6)、彎曲波導(dǎo)(7)和輸出直波導(dǎo)(4)順序連接構(gòu)成；該器件波導(dǎo)由包層材料(1)和位于包層材料(1)內(nèi)部的芯層材料(8)構(gòu)成一個(gè)倒脊型偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。所述調(diào)控區(qū)的第一偏折波導(dǎo)(5)的側(cè)邊和液晶材料(3)相切，液晶材料(3)的晶軸初始方向沿水平方向；且輸入直波導(dǎo)(2)與第一偏折波導(dǎo)(5)和第二偏折波導(dǎo)(6)之間的夾角分別為θ、2θ，所述夾角θ滿足：

0<θ<min[cos-1(n1te/n2te),cos-1(n1tm/n2tm)]

其中n1te和n2te分別表示te波在液晶材料和波導(dǎo)芯層材料中的等效折射率，n1tm和n2tm分別表示tm波在液晶材料和波導(dǎo)芯層材料中的等效折射率，函數(shù)min表示取最小值。所述調(diào)控區(qū)包層材料上、下兩面分別為上電極(9)和下電極(10)，且上、下電極均為金屬電極；當(dāng)上、下電極之間不施加調(diào)控電壓時(shí)，液晶材料的晶軸取向沿水平方向；當(dāng)上、下電極之間施加調(diào)控電壓時(shí)，液晶材料的晶軸取向垂直于水平方向變?yōu)樨Q直方向；當(dāng)上、下金屬電極之間不施加調(diào)控電壓u0時(shí)，從輸入直波導(dǎo)(2)輸入的光信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)控波導(dǎo)后，tm波偏振光從輸出直波導(dǎo)(4)輸出，而te波偏振光因泄漏損耗大而導(dǎo)致無(wú)輸出；當(dāng)上、下金屬電極之間施加調(diào)控電壓u0時(shí)，從輸入直波導(dǎo)(2)輸入的光信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)控波導(dǎo)后，te波偏振光從光輸出直波導(dǎo)輸出，而tm波偏振光因泄漏損耗大而導(dǎo)致無(wú)輸出；因此，完成光信號(hào)的可調(diào)控檢偏輸出。

本發(fā)明提供的偏振波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器為倒脊型偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其材料均為有機(jī)聚合物；可采用光學(xué)光刻方法制作，其制作方法與傳統(tǒng)光波導(dǎo)制作工藝兼容。該器件調(diào)控區(qū)液晶部分的制作工藝與傳統(tǒng)液晶器件的制作工藝類似。

本發(fā)明的工作原理是：

本發(fā)明提供的偏折波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器的波導(dǎo)橫切面如圖2和3所示，設(shè)包層材料(1)折射率為n1、芯層材料(8)折射率為n2，包層材料和芯層材料均為有機(jī)聚合物材料。其波導(dǎo)芯層厚度、脊高以及寬度分別為d、h和w。而在調(diào)控區(qū)液晶材料(3)的初始方向沿水平方向，其尋常光和非常光所對(duì)應(yīng)的折射率分別為no和ne。在調(diào)控區(qū)，其調(diào)控電極為微帶結(jié)構(gòu)，包括上電極和下電極。光信號(hào)通過(guò)錐形光纖耦合進(jìn)輸入直波導(dǎo)，并沿波導(dǎo)向前傳播。當(dāng)電極施加調(diào)控電壓u0時(shí)，將在液晶中產(chǎn)生電場(chǎng)，液晶的晶軸由水平方向轉(zhuǎn)向豎直方向，對(duì)于te波和tm波來(lái)說(shuō)，由于液晶的雙折射效應(yīng)，其調(diào)控區(qū)的折射率分別為no和ne，tm波在偏折波導(dǎo)與液晶分界面處因光泄漏損耗而急劇衰減掉，但te波因全內(nèi)反射而將沿偏折波導(dǎo)傳播而繼續(xù)向前傳播，經(jīng)由輸出直波導(dǎo)輸出，從而完成對(duì)te波檢偏；反之，當(dāng)電極無(wú)施加調(diào)控電壓u0時(shí)，這時(shí)te波和tm波所對(duì)應(yīng)的折射率分別為ne和no，te波在偏折波導(dǎo)與液晶分界面處因光泄漏損耗而急劇衰減掉，但tm波因全內(nèi)反射而將沿偏折波導(dǎo)傳播而繼續(xù)向前傳播，經(jīng)由輸出直波導(dǎo)輸出，從而完成對(duì)tm波檢偏；從而最終實(shí)現(xiàn)了不同偏振態(tài)光信號(hào)的可調(diào)控檢偏輸出。

本發(fā)明提出的偏折波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器是一種具有新型功能的光波導(dǎo)器件，其原理是利用各向異性材料液晶的大雙折射率差特性，通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控，動(dòng)態(tài)改變波導(dǎo)內(nèi)不同偏振光的泄漏損耗，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的不同偏振態(tài)可調(diào)控檢偏。該器件具有易于設(shè)計(jì)和制作、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、波長(zhǎng)依賴性低、調(diào)控簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在光子集成系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器沿圖中a1a2連線位置的橫截面示意圖。

圖3是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器沿圖中b1b2連線位置的橫截面示意圖。

圖4是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器在液晶晶軸取向沿水平方向時(shí)(a)te波和(b)tm波光信號(hào)在傳播過(guò)程中的光場(chǎng)分布。

圖5是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器在液晶晶軸取向與水平方向垂直時(shí)(a)te波和(b)tm波光信號(hào)在傳播過(guò)程中的光場(chǎng)分布。

圖6是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器在液晶晶軸取向沿水平方向時(shí)te波(實(shí)線)和tm波(虛線)光信號(hào)歸一化光功率輸出隨工作波長(zhǎng)變化關(guān)系。

圖7是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器te波(實(shí)線)和tm波(虛線)光信號(hào)歸一化光功率輸出隨波導(dǎo)線寬(△w)變化關(guān)系。

圖8是本發(fā)明提供的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器te波(實(shí)線)和tm波(虛線)光信號(hào)歸一化光功率輸出隨波導(dǎo)脊高(△h)變化關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。通常光通信系統(tǒng)中通信窗口為近紅外光，這里假定光信號(hào)的工作波長(zhǎng)為1550nm。如圖1所示，波導(dǎo)芯層為有機(jī)聚合物材料su-8，其折射率為1.672。波導(dǎo)包層材料為有機(jī)聚合物材料uv-15，其折射率為1.5。與第一偏折波導(dǎo)的側(cè)面相切的液晶材料為液晶e7，其尋常光和非常光所對(duì)應(yīng)的折射率分別為1.5和1.685。其波導(dǎo)芯層厚度d、脊高h(yuǎn)以及寬度w分別為0.8μm、1.0μm、5μm。其偏向角θ為1.2°。為方便計(jì)算，這里采用等效折射率法，將三維波導(dǎo)等效為二維平板波導(dǎo)。對(duì)于te波，在波導(dǎo)芯層和包層區(qū)域的等效折射率分別為1.6100和1.6428；對(duì)于tm波，在波導(dǎo)芯層和包層區(qū)域的等效折射率分別為1.6020和1.6397，這種差異是由波導(dǎo)的形式雙折射效應(yīng)引起的。在調(diào)控區(qū)，當(dāng)控制電極不施加調(diào)控電壓時(shí)，液晶的晶軸取向沿水平方向，則te波和tm波所對(duì)應(yīng)的等效折射率分別為1.6553和1.5；當(dāng)控制電極加調(diào)控電壓u0時(shí)，液晶中產(chǎn)生電場(chǎng)，液晶的晶軸由水平方向變?yōu)樨Q直方向，則te波和tm波所對(duì)應(yīng)的等效折射率分別為1.5和1.6521，正是液晶材料的光學(xué)各向異性，為可調(diào)控檢偏器的實(shí)現(xiàn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

這里采用光束傳播法(bpm)對(duì)本發(fā)明提供的波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器的光學(xué)性能進(jìn)行仿真模擬。當(dāng)控制電極不施加調(diào)控電壓時(shí)，液晶的晶軸取向?yàn)槌跏挤较颍囱厮椒较?。te波和tm波光信號(hào)在該器件調(diào)控區(qū)中傳播的光場(chǎng)分布如圖4(a)和(b)所示，對(duì)于te波和tm波，其光損耗分別僅為29.8db和0.003db，其消光比高達(dá)29.797db，te波光信號(hào)因光損耗大而沒(méi)有輸出，tm波光信號(hào)實(shí)現(xiàn)完全輸出，從而完成tm波檢偏。當(dāng)控制電極施加飽和電壓u0時(shí),液晶材料的晶軸取向發(fā)生改變，即與初始方向相垂直，te波和tm波光信號(hào)在該器件調(diào)控區(qū)中傳播的光場(chǎng)分布如圖5(a)和(b)所示，對(duì)于te波和tm波，其光損耗分別僅為0.002db和29.6db，其消光比高達(dá)29.598db，tm波光信號(hào)因光損耗大而沒(méi)有輸出，te波光信號(hào)完全輸出，從而完成te波檢偏；模擬結(jié)果表明，通過(guò)電壓調(diào)控液晶的晶軸方向，該器件能實(shí)現(xiàn)不同偏振光信號(hào)的檢偏。

通常，入射光信號(hào)存在一定的譜寬，一般約為幾十納米至上百納米，當(dāng)入射光信號(hào)范圍為1500nm～1600nm時(shí)，這里給出了液晶的晶軸取向沿水平方向時(shí)的模擬結(jié)果，如圖6(虛線)和(實(shí)線)分別表示te波和tm波的光功率輸出隨工作波長(zhǎng)的變化曲線。模擬結(jié)果表明，其光功率輸出隨工作波長(zhǎng)變化很小；同樣，當(dāng)液晶的晶軸取向沿豎直方向時(shí)，其光功率輸出隨工作波長(zhǎng)變化也很?。灰虼?，這表明該器件的波長(zhǎng)依賴性很低，這對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用十分有用。此外，本發(fā)明考察了制作工藝誤差對(duì)該波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器光學(xué)性能的影響。在目前工藝技術(shù)條件下，波導(dǎo)線寬誤差和波導(dǎo)脊高誤差可容易控制在±0.5μm和±0.1μm內(nèi)。這里分別假設(shè)其波導(dǎo)線寬和波導(dǎo)脊高的變化范圍為-0.5μm～0.5μm和-0.1μm～0.1μm，模擬結(jié)果表明，其光功率輸出受工藝誤差變化的影響很小，這種特性有利于降低波導(dǎo)型可調(diào)控檢偏器的工藝制作難度和制作費(fèi)用，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用十分有用。

本發(fā)明所提出的一種基于偏折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光偏振可控輸出的檢偏器，具有調(diào)控簡(jiǎn)便、易于設(shè)計(jì)和制作、波長(zhǎng)依賴性低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在光子集成系統(tǒng)中具有應(yīng)用前景。